比色法是一門顏色測(cè)量科學(xué)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室，以數(shù)字形式表達(dá)顏色并測(cè)量樣本之間的色差。應(yīng)用包括油漆、油墨、塑料、紡織品和服裝、食品和飲料、藥品和化妝品、顯示器以及其他反射或傳輸顏色的零件和產(chǎn)品。

隨著全球制造和加工的增長(zhǎng)，比色法的使用和重要性也隨之增長(zhǎng)。例如，當(dāng)一個(gè)大陸生產(chǎn)的塑料汽車裝飾必須與另一大陸生產(chǎn)的涂漆金屬飾面相匹配時(shí)，客觀而精確的顏色描述就變得絕對(duì)必要。

不幸的是，人類的顏色感知差異很大，并且受到照明、樣本大小、周圍顏色和觀察角度的影響。比色儀器提供了一組標(biāo)準(zhǔn)化條件，有助于確保一致性和可重復(fù)性。

雖然術(shù)語(yǔ)比色法通常用于一般意義上的顏色測(cè)量，但它與分光光度法不同，分光光度法是一種相關(guān)但不同的顏色測(cè)量方法。

在比色法中，顏色的量化基于色覺的三分量理論，該理論指出人眼擁有三種原色(紅、綠和藍(lán))的受體，并且所有顏色都被視為這些原色的混合物。在比色法中，這些分量稱為 XYZ 坐標(biāo)。色差儀基于這種顏色感知理論，采用三個(gè)光電管作為接收器，以與人眼大致相同的方式看到顏色。

另一方面，分光光度法使用更多的傳感器(在某些分光光度計(jì)中為 40 個(gè)或更多)來將反射或透射光分成其組成波長(zhǎng)。它測(cè)量物體在可見光譜連續(xù)譜上每個(gè)波長(zhǎng)的光譜反射率。分光光度法具有高精度，通常用于研究和顏色配方應(yīng)用。色差儀通常用于生產(chǎn)和質(zhì)量控制應(yīng)用。

色差儀的剖析

由光源、固定幾何觀察光學(xué)器件、與國(guó)際建立的標(biāo)準(zhǔn)觀察器匹配的三個(gè)光電管以及板載處理器或連接到處理器/顯示單元或計(jì)算機(jī)的電纜組成。

在操作中，色差儀的傳感器透鏡通常直接放置在待測(cè)量樣本的區(qū)域上——例如，一塊染色的布或一塊彩色塑料片。對(duì)于必須測(cè)量透射光的液體或彩色薄膜樣本，樣本被放置在儀器的透射室或特殊的樣本架中。接下來，操作員激活從樣本反射并穿過三個(gè)光電管的光源，光電管確定紅色、綠色和藍(lán)色分量并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿陀?jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)計(jì)算 XYZ 三刺激值并捕獲數(shù)據(jù)，然后顯示或打印。

雖然三刺激值對(duì)于定義顏色很有用，但它們不允許輕松可視化顏色。因此，在國(guó)際照明委員會(huì) (CIE) 的支持下，開發(fā)了許多數(shù)學(xué)模型和繪圖方法。這些概念化稱為色彩空間。色彩空間更緊密地表達(dá)顏色的相對(duì)屬性，例如明度/暗度、飽和度(色度)和色調(diào)。它們?cè)跍y(cè)量和比較兩個(gè)樣本之間的色差時(shí)特別有用，例如在生產(chǎn)過程中必須重復(fù)再現(xiàn)的目標(biāo)顏色。

圖 1.與人眼相對(duì)應(yīng)的光譜靈敏度(1931 標(biāo)準(zhǔn)觀察者的顏色匹配功能)

色調(diào)是用于顏色一般分類的術(shù)語(yǔ)，即可見光譜區(qū)域(380 至 700 nm)，其中光反射率最高。被感知為藍(lán)色的色調(diào)傾向于反射光譜低端的光，綠色在中間區(qū)域，紅色則朝向高端。圖 1 顯示了與人眼相對(duì)應(yīng)的光譜靈敏度。

亮度/暗度可以獨(dú)立于色調(diào)來測(cè)量。例如，檸檬的亮度可以與櫻桃的亮度進(jìn)行比較。飽和度描述了感知顏色的鮮艷度/暗度，并且與亮度一樣，可以獨(dú)立于色調(diào)進(jìn)行測(cè)量。用于定義和以數(shù)學(xué)方式表達(dá)這些屬性的最廣泛使用的色彩空間之一是 CIE 的 Yxy 色彩空間，該空間于 1931 年建立;1976 L*a*b* 色彩空間;和 L*C*h 色彩空間。其他色彩空間，如CIELUV;Hunter Lab，由 Richard S. Hunter 開發(fā);和孟塞爾顏色表示法系統(tǒng)也正在使用。

圖 2. 1931 年 X、Y 色度圖

隨著時(shí)間的推移，色彩空間表示已經(jīng)得到完善，以更接近地對(duì)應(yīng)于通過持續(xù)實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)平均所定義的人眼的色差感知。

XYZ 值和 Yxy 顏色空間

早期的顏色空間表示形式之一是 CIE 1931 X,Y 色度圖(圖 2)。該圖用于顏色的二維繪圖，與亮度無關(guān)。X和Y是根據(jù)三刺激值XYZ計(jì)算的色度坐標(biāo)。在此圖中，無彩色朝向中心，色度朝向邊緣增加。色度坐標(biāo)為 X = 0.4832 且 Y = 0.3045 的比色測(cè)量紅蘋果可以位于該顏色空間中的位置 A(藍(lán)色圓圈)。

L*a*b* 色彩空間也稱為 CIELAB，于 1976 年頒布，旨在針對(duì)原始 Yxy 色彩空間的問題之一進(jìn)行調(diào)整。X、Y 色度圖上的相等距離并不對(duì)應(yīng)于相等的感知色差。在L*a*b*圖中，球形彩色實(shí)體，L*表示明度，a*和b*是色品坐標(biāo)。這里a*和b*表示顏色方向(+a*是紅色方向，-a*是綠色方向)。

圖 3.a *、b* 色度圖

L*C*h 顏色空間使用與 L*a*b* 顏色空間相同的圖表，但采用柱坐標(biāo)而不是直角坐標(biāo)。L*與L*a*b*圖的L*相同。C*是色度，h是色調(diào)角。對(duì)于無彩色，C*的值在中心處為0并且根據(jù)距中心的距離而增加。色相角定義為從 +a* 軸開始，并以色度軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的度數(shù)表示。

色差儀的測(cè)量輸出以測(cè)量樣本的 XYZ 值以及其他可接受的統(tǒng)一色彩空間的單位表示。通過將目標(biāo)顏色的測(cè)量值與樣本進(jìn)行比較，用戶不僅可以獲得顏色的數(shù)字描述，還可以表達(dá)兩個(gè)測(cè)量樣本之間色差的性質(zhì)。色差儀可精確定位目標(biāo)和樣品之間的亮度、色度和色調(diào)差異。

圖 4.便攜式色差儀允許在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程位置進(jìn)行測(cè)量

然后，可以將在一個(gè)位置進(jìn)行的、以給定色彩空間的單位表示的顏色測(cè)量值與在另一位置或另一時(shí)間進(jìn)行的測(cè)量值進(jìn)行比較，并以國(guó)際公認(rèn)的語(yǔ)言進(jìn)行交流。通過這種方式，比色測(cè)量消除了顏色感知和色差判斷中的主觀性。

當(dāng)今的色差儀情況

有多種三色色差儀可用于生產(chǎn)顏色采樣、檢查和顏色質(zhì)量控制。許多是便攜式、電池供電的設(shè)備，可以在生產(chǎn)車間或遠(yuǎn)程位置進(jìn)行客觀的色彩測(cè)量。它們具有適合特定應(yīng)用的一系列孔徑和照明/觀察幾何形狀、各種級(jí)別的數(shù)據(jù)處理能力以及眾多配件。

類似顯微鏡配置的色差儀用于精確測(cè)量小物體，例如藥丸和藥物試劑。非接觸式色差儀可對(duì)生產(chǎn)線上的紡織品、紙張和涂層卷材進(jìn)行在線顏色測(cè)量。小型掌上儀器甚至專為非常特殊的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如烘焙、油炸和加工食品的對(duì)比度測(cè)量。

通過密切監(jiān)控生產(chǎn)和加工操作中顏色的一致性，商業(yè)和工業(yè)顯著降低了浪費(fèi)和產(chǎn)品廢品的成本，同時(shí)提高了操作效率和生產(chǎn)率。